Nat. Rev. Bioeng.
今天为大家介绍一篇来自Nature Reviews Bioengineering的文章《DNA-based biocomputing circuits and their biomedical applications》，这篇论文的主要内容是研究DNA电路的设计规则和实施策略，概述DNA计算单元的工程和功能，包括开关，逻辑门，放大器和神经元。进一步讨论如何使用DNA纳米结构的局部扩散和算法组件将这些计算单元的整合到DNA电路中。此外，研究如何调节DNA电路的时间动力学，并强调其在细胞成像、生物传感和诊断、内源基因网络的重新布线中的应用。
介绍
由于DNA分子固有的高度并行性和内在生物相容性，DNA计算展现出液相计算的独特优势，特别是在生物医学应用领域。例如，DNA电路不仅能检测特定生物标志物，还能同时处理多目标浓度信息，从而实现准确的疾病诊断。此外，DNA电路可使药物输送策略具备响应释放功能，更能在细胞中构建新型信号通路，通过调控基因表达实现免疫细胞的程序化激活或肿瘤细胞的程序化凋亡。然而，DNA电路的临床转化仍需突破三个关键挑战：确保其在生理环境中功能的可靠性、实现分子信息处理的高精度与鲁棒性。
在这篇综述中，着重探讨DNA电路的结构特性与生物医学应用，系统阐述其在溶液相和表面固定化体系中的设计原理与实现方法，并验证其计算功能的可行性。
图1 基于DNA的计算电路及其生物医学应用
DNA计算单元
DNA计算电路通常由若干基本DNA计算单元构成，此类计算单元是指计算系统中负责处理数据和执行计算的基本组件或模块（图2a）。DNA计算单元通常基于对化学和环境条件具有响应性的动态DNA结构。链位移反应是DNA计算电路的基础（图2b）。这些单元既可独立运行以实现有条件的信号转换，也可通过组合形成较大规模电路来完成复杂计算。DNA计算单元主要包括开关、逻辑电路、放大器及神经元（图2c）。
DNA Switches（DNA开关）
开关实现信号的转换与传输功能；这些信号通过激活DNA开关进而产生输出信号。DNA、RNA、蛋白质、小分子、pH值、光及其他能够引发DNA开关状态转换的因素均可作为开关信号。DNA开关能够促进各类信号与DNA之间的双向交互，从而实现分子或化学环境的感知、处理与响应功能。
此类开关还可用于信号转换，在此过程中输出链可作为输入参与后续计算操作。该型开关仅依赖序列即可构建大规模正交分子库，这一特性使其特别适用于计算电路的模块化组装及多重信号处理任务。
图2 DNA计算单元和电路集成策略
其他工具也可应用于DNA开关设计。以DNAzyme（由DNA构成的合成酶）为例，其活性可通过DNA链进行阻断，并通过另一输入链与阻断链结合实现再激活，由此构建基于DNAzyme的开关系统。
DNA Logic gates（DNA逻辑门）
逻辑门是接收一个或两个二进制信号（由0或1表示）进行计算的处理单元，通过执行特定逻辑操作（如与、或、非）输出二进制信号。DNA逻辑门利用DNA分子识别的高度特异性来精确调控反应路径与顺序，进而实现对应的逻辑运算功能。这类DNA逻辑门可通过多级组合构建具有较高计算复杂度的数字电路系统。基于开关组合的设计方法支持大规模模块化构建，从而为复杂信息处理任务提供技术基础。
需特别指出的是，并非所有逻辑门在计算架构中均不可或缺。例如仅用NOR门即可构建具备全逻辑函数实现能力的电路系统。经典与门、或门、非门的组合同样构成具有布尔完备性的基础门组。
DNA Amplifiers（DNA放大器）
放大器将低浓度分子信号转化并增强为高浓度输出，这是将大规模DNA计算电路整合到生物传感应用中的关键功能。在活细胞中，DNA复制是信号扩增的天然机制。人工DNA电路中，可通过合成可作为DNA聚合酶输入的DNA链构建放大器模块。
DNA Neurons（DNA神经元）
神经元是神经网络的基础单元，负责处理生物系统对内/外刺激的响应。其工作机制涉及将多个携带特定权重的信号输入神经元。典型DNA神经元由三个功能模块构成：输入加权模块、阈值模块和放大模块。输入加权模块将所有输入转化为共用的中间信号，其中部分信号被阈值模块消耗，剩余信号进入放大模块生成神经元的最终输出。DNA神经元可通过无酶的链置换反应、DNA处理酶或DNA修饰纳米颗粒实现构建。这类合成DNA神经元为神经回路的构建提供了基础，能够实现模式识别与分类等高级功能。
计算单元集成至DNA电路
3D free diffusion
在均匀溶液中，分子成分通过布朗运动遇到并相互作用（图2d）。 DNA序列的可编程性允许设计正交分子的库，因此许多DNA计算单元可以在同一空间中运行。通过3D游离扩散，一个计算单元的输出可以符合其他计算单元，以输入特定的反应途径并在计算单元之间传输信号。
这种方法仅依赖于DNA序列的正交性来建立计算单元之间的连接。原则上，扩大电路只需要在解决方案中添加计算单元。但是，实际上，随着溶液中DNA分子类型的数量增加，通过3D扩散遇到其靶标的分子的概率减少，这可能导致电路无法完成计算。因此，需要新的策略来克服整合DNA电路的可扩展性瓶颈。模仿生物系统，引入空间隔室或开发顺序操作可能有助于增强3D扩散整合的规模。
Surface-confined diffusion
电路可通过将计算单元锚定于膜结构并利用膜流动性特性进行信号传输来实现整合。在此系统中，DNA计算单元沿膜表面流动时，可通过表面受限扩散与其他单元发生接触。当两个邻近的计算单元间距足够小时，便会发生链置换反应等相互作用，从而实现信号传递并完成电路整合。该方法为构建基于细胞膜运作的DNA电路提供了可能。
Localized diffusion
计算单元可被固定在DNA折纸结构的特定位点，这种设计赋予了锚定分子与相邻计算单元接触的灵活性，从而实现空间特异性的信息传输。DNA折纸结构以长单链DNA为基础，通过碱基配对自发折叠成预设的三维构型。因此，可通过在DNA折纸表面特定位点组装DNA分子计算单元，将其设计为分子计算的电路基板——每个分子在其锚定位点进行受限摆动，既限制了扩散范围又维持了邻近分子间的相互作用。这种受限的扩散模式支持构建局部化电路网络。通过精密设计各单元在DNA折纸表面的空间排布，可实现逻辑门功能（如图2D）。关键的是，反应仅发生于相邻分子间，这突破了传统DNA计算在大型电路中面临的序列特异性和正交性限制，避免长程随机碰撞可有效抑制信号泄漏。这种纳米尺度的空间约束机制为复杂生理环境下的DNA计算提供了整合基础
Algorithmic assembly
可以通过算法组件的设计实现DNA结构；在此过程中，算法被编码为DNA计算单元之间的序列识别关系，并通过自组装过程实现。因此，计算单元的组装过程可通过编程执行计算功能，其结果可通过组装结构的形态特征进行直观呈现。
DNA电路时间动力学调控
细胞具有生命周期，其内部分子反应呈现出可控的时空动力学特征。除了实现组合逻辑功能外，合成DNA电路还可通过可调谐的时间动力学特性进行功能设计。特别是针对核酸开发的仿真工具，能够有效支持DNA电路的动态调控。例如：NUPACK可预测多链DNA的分子结构与结合概率；Visual DSD能模拟核酸反应的动力学过程；OxDNA则可重现DNA分子随时间演变的构象变化，为理解DNA电路的宏观行为提供支持。通过调控反应动力学参数与设计反应规则，研究者能够精确调节系统延迟时间与振荡周期。
图3 DNA电路时间动力学调控
延时调控
顺序计算要求在不同时间节点激活特定信息处理模块。因此，需要在精确时刻触发对应的反应通路，这要求精确控制信号传递的延迟时长。具体而言，延迟时间指的是从信号产生到其生效所需的时间间隔。在DNA分子电路中，可通过引入消耗通路来调节信号延迟——该通路通过暂时阻断信号生成路径来延长响应时间；例如，通过临时占用输出生成分子，可有效延缓计算进程的执行（图3a）。
脉冲信号发生器
神经系统通过脉冲信号形式处理信息，从而应对特定时间范围的环境刺激。这种非平衡分子反应网络可在体外进行设计，用于生成可调谐的脉冲信号并调控组装动力学。DNA脉冲信号可通过分子的并发产生与消耗来生成。在该系统中，电路接收输入信号并生成输出信号，而生成的输出信号则会被逐渐耗尽。当生成速率超过消耗速率时，信号水平随之上升。随着输入浓度逐步降低，消耗效应占据主导，输出逐渐减少，从而形成脉冲信号（图3b）。
振荡电路
振荡电路表现出周期性的信号增强和衰减，活生物体依靠各种自然振荡电路来调节生理过程。可以通过使用链位移或DNA处理酶在多个信号之间的相互降解和生成反应来构建人工DNA振荡器。除了DNA，RNA和蛋白质外，还可以将生物计算的方法用于生物计算。
此外，还可以通过链位移反应实现振荡功能。通过设计一个同时执行A+B→2C的链位移反应网络，A+C→2B和B+C→2A，可以通过相互消耗和产生这些DNA 链的相互消耗和生产来实现振荡（图3c）。
AITA|肖以君
参考资料
Jia, S., Lv, H., Li, Q. et al. DNA-based biocomputing circuits and their biomedical applications. Nat Rev Bioeng (2025).
.1038/s44222-025-00303-8
本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自微信公众号。原始发表：2025-04-15，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent 删除网络系统nat基础设计
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